中國科大首次在室溫固態體系中實驗實現絕熱量子質因數分解

中國科大首次在室溫固態體系中實驗實現絕熱量子質因數分解

 

中國科學技術大學杜江峰課題組利用金剛石中的自旋作為量子處理器，首次在室溫大氣條件下實現了基於固態單自旋體系的質因數分解量子算法。研究成果發表在3月31日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 118, 130504 (2017)]。

 

RSA密鑰體系是當今金融、網絡等領域普遍使用的加密方式。其安全性的基礎在於對經典計算而言，尚無有效的方法能在合理的時間內完成大數的質因數分解，因此RSA加密體系目前是安全的。1994年，Peter Shor提出了基於量子計算機的質因數分解算法，即著名的Shor算法，從理論上證明了量子計算機可以指數加速大數的質因數分解，使得原本在當前最好的計算機上需要上萬年才能完成的計算任務，量子計算機瞬間即能完成。這一算法的提出極大地推動了量子計算的研究進程。但是，Shor算法基於傳統的量子線路模式，由於實驗難度太大，目前使用Shor 算法分解的最大數僅是21[Nature Photonics. 6 , 773 (2012)]。近年來，杜江峰課題組開展了採用絕熱量子計算這一新型的量子計算模式來實現量子質因數分解的研究，在核磁共振實驗體系中先後實現了21和143的量子質因數分解[Phys. Rev. Lett. 101, 220405 (2008)；Phys. Rev. Lett. 108, 130501 (2012)]，創造了當時量子質因數分解的紀錄。

 

在最新完成的這項工作中，杜江峰課題組利用金剛石中的自旋作為量子比特，首次在室溫大氣條件下實現了基於固態單自旋體系的量子分解算法。研究人員以分解35作為例子，完整演示了絕熱量子分解算法的整個過程，並以高保真度得到了問題的解。為了克服金剛石單自旋量子相干時間不夠長的問題，研究人員發展了核與電子雜化體系的優化控制技術，提高了量子演化過程的保真度。這一優化控制技術具有普適性，將可以應用於其他自旋體系。

 

金剛石單自旋是目前極具潛力建造室溫固態量子計算機的實驗體系，該工作展示了在這一體系中實現複雜量子算法的能力，向建造室溫固態量子計算機邁進了重要一步。未來，利用金剛石中內部自旋之間的耦合，或者通過NV色心自旋與光腔模式的耦合，有希望實現可擴展的量子計算系統，實現實用化的量子質因數分解功能。

 

上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部和中科院的支持。（來源：中國科學技術大學）

 

 

 

 

 

 

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